Profili di dose precisi per una terapia protonica ad alta precisione che utilizza fasci di protoni fortemente focalizzati

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18919 (2022) Citare questo articolo

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L’obiettivo principale della radioterapia è sfruttare il potenziale curativo delle radiazioni ionizzanti infliggendo al contempo un danno minimo indotto dalle radiazioni ai tessuti sani e agli organi sensibili. La terapia con fasci di protoni è stata sviluppata per irradiare il tumore con maggiore precisione e conformità della dose rispetto all'irradiazione con raggi X convenzionale. La conformità della dose di questa modalità di trattamento può essere ulteriormente migliorata se vengono utilizzati fasci di protoni più stretti. Tuttavia, questo è limitato dalla diffusione multipla di Coulomb di protoni attraverso i tessuti. Lo scopo principale di questo lavoro era sviluppare tecniche per produrre fasci di protoni stretti e studiare i profili di dose risultanti. Abbiamo introdotto e valutato tre diverse tecniche di modellazione del fascio di protoni: (1) collimatori metallici (100/150 MeV), (2) focalizzazione di convenzionali (100/150 MeV) e (3) focalizzazione di alta energia (350 MeV, shoot-through) fasci di protoni. La messa a fuoco era governata dal valore iniziale del parametro Twiss \(\alpha\) (\(\alpha _0\)) e può essere implementata con l'ottica dell'acceleratore di particelle magnetiche. Le distribuzioni della dose in acqua sono state calcolate mediante simulazioni Monte Carlo utilizzando Geant4 e valutate in base al rapporto di dose tra bersaglio e superficie (TSDR) oltre alla dimensione del fascio trasversale (\(\sigma _T\)) sul bersaglio. L'obiettivo è stato definito come la posizione del picco di Bragg o del punto focale. Le diverse tecniche hanno mostrato profili di dose molto diversi, in cui la focalizzazione ha fornito una dose target relativa nettamente più elevata e un uso efficiente dei protoni primari. I collimatori metallici con raggi \(<\,2~\mathrm{mm}\) hanno dato TSDR bassi (\(<~0.7\)) e grandi \(\sigma _T\)(\(>~3.6~\hbox {mm }\)). Al contrario, un raggio focalizzato di energia convenzionale (\(150~\hbox {MeV}\)) ha prodotto un TSDR molto elevato (\(>~80\)) con \(\sigma _T\) simile a un raggio collimato. I raggi focalizzati ad alta energia sono stati in grado di produrre TSDR \(>~100\) e \(\sigma _T\) intorno a 1,5 mm. Da questo studio appare molto interessante implementare fasci di protoni focalizzati magneticamente nella radioterapia di piccole lesioni o tumori in prossimità di organi sani a rischio. Ciò può anche portare a un cambiamento di paradigma nella radioterapia spazialmente frazionata. La focalizzazione magnetica faciliterebbe l'irradiazione FLASH a causa delle basse perdite di protoni primari.

La radioterapia (RT) è una delle modalità più comunemente utilizzate per il trattamento curativo e palliativo del cancro1. Per la radioterapia a fasci esterni (EBRT), i raggi X ad alta energia sono più comunemente utilizzati. In alternativa, è possibile utilizzare particelle cariche come elettroni, protoni e ioni pesanti a causa dei loro distinti profili di dose. I protoni o gli ioni pesanti depositeranno una grande dose negli ultimi millimetri del loro raggio d'azione. Questa regione della dose di picco è nota come picco di Bragg2. Questa caratteristica delle particelle cariche pesanti migliora la conformità della dose dell'EBRT rispetto ai raggi X, garantendo un migliore risparmio del tessuto normale3. I protoni sono quindi particolarmente utili per il trattamento del cancro pediatrico, dei tumori ipossici voluminosi e delle lesioni vicino agli organi a rischio (OAR)4,5. L’uso dei protoni per il trattamento del cancro non è un concetto nuovo. Nel 1946, Robert R. Wilson suggerì per primo di utilizzare fasci di protoni ad alta energia per il trattamento6, e il primo paziente fu trattato nel 1954 al Berkeley Radiation Laboratory7. Tuttavia, la terapia protonica ha guadagnato un notevole interesse negli ultimi due decenni.

L'esposizione del tessuto sano durante l'EBRT è inevitabile. Negli ultimi anni sono stati introdotti e studiati una serie di approcci radioterapici come minibeams8, microbeams9, GRID10 e FLASH11, utilizzando fasci di protoni per aumentare l'efficacia di questi trattamenti sperimentali. Le attuali tecniche di scansione spot di protoni utilizzano la messa a fuoco magnetica per modellare il raggio in un fascio a matita con un raggio trasversale tipicamente di 5 mm e lo spostamento magnetico per coprire il bersaglio. Sono necessarie tecniche più avanzate di modellazione del fascio che utilizzano un sistema di erogazione del fascio migliorato per produrre un piccolo punto di dose di radiazioni su un bersaglio profondo per ridurre gli effetti collaterali avversi dell'EBRT. Tuttavia, irradiare un piccolo tumore profondo senza depositare una dose significativa nel tessuto sano circostante è ancora difficile a causa dello scattering multiplo di Coulomb (MCS), che provoca l’ampliamento del fascio e la perdita di protoni primari. I fasci stretti sono anche un elemento essenziale nella radioterapia spazialmente frazionata (SFRT; nota anche come GRID), che mira a sfruttare gli effetti dose-volume per ridurre le complicanze dei tessuti normali12.

~350~\mathrm{MeV}\), shoot-through14 or transmission mode15) have the potential to reduce the entrance dose, while simultaneously achieving a smaller spot size at a deep-seated target than what is currently available with conventional spot scanning. The characteristics of magnetically focused beams of very high energy electrons (VHEE) have recently been assessed for therapeutic applications16,17,18, and high energy focused protons have similar properties but scatter less due to the higher proton mass./p> 0\). For all \(\alpha _0 > 0\), the beam at the target is always smaller than the initial beam, so that \(\sigma _T / \sigma _0 \le 1\), i.e. the beam is de-magnified./p>

40 Gy/s) has been recommended to achieve a FLASH effect11. Moreover, a high dose rate can be utilized to overcome the loss of precision caused by tumor motion. The CEFP technique can utilize a larger fraction of accelerated protons to deposit a dose at the target compared to CECP, facilitating proton FLASH therapy. However, for HEFP the ultimate dose rate is reduced since much of the beam energy is deposited outside of the patient. This is however partially compensated at low \(d_T\) since no lossy energy degrading system is needed, increasing the technically achievable beam current. Even though focused beams can reduce the entrance dose for small targets, the irradiation of large targets with a homogeneous dose requires several beams. These beams will overlap near the entrance, reducing the TSDR advantage of the focused beams./p>